19. Podstawy genetycznej determinacji płci oraz dziedziczenia genów sprzężonych z płci u ssaków.

Determinacja płci, procesy prowadzące do wykształcenia osobników męskich i żeńskich u organizmów rozdzielnopłciowych; istnieją dwa rodzaje determinacji płci - determinacja płci genetyczna, związana z obecnością chromosomów płci, i determinacja płci środowiskowa, wywołana działaniem czynników środowiska; działanie odpowiednich genów znajdujących się w chromosomach płci prowadzi do powstania płci żeńskiej lub męskiej; u człowieka płeć żeńska warunkowana jest obecnością dwóch chromosomów X, męska - chromosomów X i Y (ten typ determinacji płci występuje u wielu innych gatunków ssaków, owadów i roślin; u niektórych gatunków zwierząt, np. motyli i ptaków, jest układ odwrotny, u innych, np. pluskiew i koników polnych, układ XX u samic i X0 u samców; u muszki owocowej (Drosophila) płeć zależy od stosunku liczby chromosomów X do autosomów; u żądłówek (pszczoły) osobniki partenogenetyczne, haploidalne są samcami, a powstające z zapłodnionych jaj - samicami; środowiskowa determinacja płci występuje np. u żółwi i niektórych krokodyli, kórych płeć nie jest od początku zdeterminowana, a temperatura, w której rozwijają się jaja, powoduje powstanie samców lub samic; u szczetnicy (Bonellia) larwy nie są płciowo zdeterminowane, przyczepiając się do samicy stają się samcami, wolno żyjące - samicami; o płci decydują w takich sytuacjach hormony.

Płeć - zespół cech, które różnicują każdy gatunek zwierząt wyższych na dwie grupy: samce i samice

Cechy sprzężone to cechy, które leżą na jednym chromosomie. Cechy sprzężone z płcią to cechy, których geny maja swoje locus na chromosomie X (chromosomie płci) XY - samiec; XX - samica.

Cechy związane z płcią to cechy, których geny znajdują się na autosomach, a w przypadku układów heterozygotycznych o fenotypie decyduje płeć.

Są dwa rodzaje sprzężenia :

Absolutne - (bezwzględne) - nie zachodzi Crossing over ; cechy raz sprzężone dziedziczą się razem.

Częściowe (względne) - cechy rozchodzą się; zachodzi Crossing over.

Są dwa typy sprzężenia względnego:

Typ cis - geny równe wobec siebie ( np. B,D,a, f - dwa dominujące lub dwa recesywne).

Typ trans - geny dominujący i recesywny (np. A,b. )

Drogi determinacji płci:

1). chromosomowa - związana obecnością chromosomów płci

System XY (XX; XY) - u większości zwierząt

- system XO (XO; XX) - u owadów

- system ZW (ZW; ZZ) -u ptaków i gadów

2). Genowa - płeć determinowana jest przez pojedyncze geny autosomalne ( ryby, płazy, rośliny)

3). Cytoplazmatyczna - u niektórych roślin mtDNA zawiera gen CMS. Jądrowe DNA może zawierać geny przywracające płeć męską.

4). Haploidalna - samice są diploidalne, samce haploidalne. Samice produkują haploidalne komórki jajowe, samce haploidalne plemniki. Z niezapłodnionych jaj(haploidalnych) rozwijają się samce. Z zapłodnionych (diploidalnych) - rozwijają się samice.

5). Środowiskowa (fenotypowa) - płeć determinowana jest przez czynniki środowiskowe np. temperatura (gady, wiele ryb), światło, pewne związki chemiczne, obecność osobników pewnej płci, zagęszczenie populacji.

6). Brak zróżnicowania płciowego - wiele roślin i niższe zwierzęta (płazińce, obleńce) są hermafrodytami (obojnakami z funkcjami płci żeńskiej i męskiej)

Determinacja płci - poza autosomami w organizmie występują chromosomy płci ( allosomy = heterosomy)

W królestwie zwierząt wyróżniamy dwa rodzaje heterogametyczności:

Heterogametyczność męska - dwa typy dziedziczenia: Lygeus i Protenor.

Typ Lygeus - ssaki (człowiek), rośliny dwupienne, drosophilia.

Człowiek posiada 2n = 44 autosomy + 2 allosomy.

Samica X jest homogametyczna , 2n = 44 autosomy + XX ( (2A + XX),

gamety samicy to : X, X

Samce X Y heterogametyczny 2n= 44 autosomy +XY ( 2A +XY);

o płci decyduje tu gameta ojca. Gamety samca to : X; Y.

Typ Protenor - pluskwiaki, nicienie

Samica X jest homozygotyczna (2A + XX)

Samiec ( 2A + X_ ) brak alosomu Y - jest hemizygota.

Hemizygota - osobnik osiadający w komórkach somatycznych tylko jeden allel danego genu.

Najczęściej termin ten odnosi się do genów zawartych w chromosomie X

Heterogametyczność żeńska - wyróżniamy dwa typy dziedziczenia:

Abraxas - płazy, ryby,

Fumea - ptki, gady

Abraxas - samice XY -hetero gametyczny. Samce XX- homogametyczny

Fumea - samice X_ ( brak drugiego chromosomu) - heterogametyczne;

samce XX - homogametyczni.

Są dwie teorie dotyczące płci u ssaków : - geny na płeć męską i żeńską są zlokalizowane w chromosomach X, natomiast w chromosomie Y leżą geny blokujące czynności genów na płeć żeńską; czyli jeśli mamy: XX - ujawni się płeć żeńska; jeśli: XY - to Y blokuje czynności genu X i ujawnia się płeć męska.

Y - jest chromosomem pustym (nieaktywnym) na nim nie leżą żadne geny. Geny na płeć żeńską leżą tylko na chromosomie X. na chromosomie Y nic się nie znajduje, a geny na płeć męską leżą na autosomach i o płci decyduje stosunek chromosomów płci do pozostałych chromosomów.

Chromosomy płci - allosomy - (X)

Chromosomy pozostałe - autosomy- (A)

2X / 2A = 1 samica X / 2A = 0,5 samiec

Genetyczna determinacja płci: związana z genami znajdującymi się na chromosomie płci. Przy zestawie chromosomów XY rozwija się część rdzeniowa dragonady, a uwstecznia część korowa. Rozwija się gonada męska jądra. Przy zestawie chromosomów XX rozrasta się część korowa w gonady żeńskie, czyli jajniki.

Determinacja płci u Drosophila melanogaster. - według 2 teorii stosunek X do Y ma 4 pary chromosomów, 3 pary autosomów i 1 para chromosomów płci. Przypadku tego osobnika o płci decyduje stosunek liczbowy chromosomów X do autosomów.

Anomalie związane z determinacją płci - gynandromorfizm. (hermafrodytyzm).

Gynandromorfizm -powstawanie osobników z błędów we wczesnych stadiach podziałowych, dany osobnik ma cechy zarówno męskie jak i żeńskie. Zajście mutacji powodującej nondysjunkcję chromosomów w komórkach somatycznych

Determinacja płci u człowieka.XX XO XXX- samica; XY XXX XXXY -samiec

Czynnik warunkujący płeć męską znajduje się na chromosomie Y. U człowieka czynnikiem powodujący rozwój w kierunku gonady męskiej jest czynnik TDF, czynnik TDF znajduje się na krótkich ramionach chromosomu Y, w obrębie specyficznego regionu SRY - sex. Crossing over w regionie granicznym PAL może być przyczyną przeniesienia regionu SRY na chromosom X.

Czynnik męski jest decydujący zarówno w determinacji, jak i w różnicowaniu płci u człowieka i u innych ssaków. Płeć zostaje zdeterminowana w momencie zapłodnienia i zależy od tego, jaki plemnik wniknął do komórki jajowej: czy był to plemnik z chromosomem Y ? determinujący płeć w kierunku męskim, czy z chromosomem X ? determinujący płeć w kierunku żeńskim. Decydujące znaczenie chromosomu Y w męskiej determinacji płci zostało udowodnione w 1959 roku przez Jacobs i Stronga oraz Forda i wsp. na podstawie badań cytogenetycznych w zespole Klinefeltera. Autorzy ci stwierdzili bowiem, że w wypadku kariotypu 47,XXY lub mozaiki 46,XX/47,XXY następuje męski rozwój osobnika. Dalsze badania cytogenetyczne wykazały, że nawet w wypadku kariotypu 48,XXXY lub 49,XXXXY rozwój osobnika następuje w kierunku męskim. Tak więc obecność chromosomu Y decyduje o męskim rozwoju.

Cechy sprzężone z płcią, to cechy uwarunkowane genami leżącymi na chromosomie X

Najczęściej spotykane przykłady genów sprzężonych z płcią to:

- gen kodujący białko niezbędne do procesu krzepnięcia krwi. Jego zmutowany, recesywny allel odpowiedzialny jest za chorobę zwaną hemofilią, objawiającą się upośledzeniem krzepliwości krwi

- gen zawierający informację o białku niezbędnym do prawidłowego rozróżniania kolorów. Jego zmutowany, recesywny allel odpowiada za wadę wzroku zwaną daltonizmem (nierozpoznawanie barw, najczęściej czerwonego koloru).

Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią na przykładzie dziedziczenia hemofilii

Oznaczenia:

H - allel dominujący, prawidłowa wersja genu

h - allel recesywny, uszkodzona (zmutowana) wersja genu

· - brak allelu.

możliwe genotypy i fenotyp kobiety:

kobieta, ma dwa chromosomy X, na każdym z nich posiada allel omawianego genu:

HH - zdrowa

Hh - zdrowa nosicielka

hh - chora na hemofilię - to w zasadzie tylko teoretyczna możliwość, bo prawdopodobieństwo zejścia się dwóch alleli recesywnych jest w tym przypadku nikłe.

możliwe genotypy i fenotypy mężczyzny:

mężczyzna posiada jeden chromosom X, więc posiada tylko jeden allel genu:

H - - zdrowy

h - - chory na hemofilię

Jak widać cechy sprzężone z płcią są przekazywane następnym pokoleniom przez kobiety - nosicielki, natomiast ujawniają się znacznie częściej u mężczyzn, u których brak drugiego allelu uniemożliwia „zamaskowanie” jego obecności w fenotypie.

Uzupełnienie dla chętnych, dopieszczenie determinacji (pozaobowiązkowe)

Genetyczna determinacja płci powoduje w warunkach fizjologicznych zróżnicowanie pierwotnej gonady w kierunku męskim lub żeńskim. Dalszy rozwój płciowy wiąże się z czynnością hormonalną płodowych gonad. Jądra płodu, dzięki wydzielanym przez siebie substancjom hormonalnym, odgrywają podstawową rolę w różnicowaniu płciowym w kierunku męskim. Substancje hormonalne płodowych jąder powodują bowiem kolejno zróżnicowanie w kierunku męskim wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych, a następnie ośroaków mózgowych i to zarówno tych, które kierują wydzielaniem przysadki, jak i tych, z którymi wiąże się zachowanie reprodukcyjne i niereprodukcyjne.
W przypadku braku czynników hormonalnych jąder płodowych rozwój zewnętrznych i wewnętrznych narządów płciowych odbywa się w kierunku żeńskim, ustala się również żeński typ ośrodków nerwowych podwzgórza, kierujących wydzielaniem przysadki, jak również ośrodków związanych z zachowaniem reprodukcyjnym i niereprodukcyjnym. Żeńskie hormony płciowe łożyska oraz jajników płodowych odgrywają w tych procesach jedynie pomocniczą rolę.
U człowieka, podobnie jak u większości ssaków, różnicowanie narządów płciowych w kierunku męskim odbywa się więc pod wpływem substancji hormonalnych produkowanych przez jądra płodowe. Natomiast różnicowanie w kierunku żeńskim jest samoistne, tzn. dokonuje się prawie bez wpływu czynników działających z zewnątrz na narządy płciowe, jest więc genetycznie zakodowane w tkankach narządów płciowych ssaków.

Cechy płciowe organizmu uzależnione są od informacji zawartej w genach. U większości organizmów rozdzielnopłciowych chromosomy są zróżnicowane na chromosomy płci (heterochromosomy), które warunkują płeć osobnika oraz chromosomy autosomalne, warunkujące pozostałe cechy. Determinacja płci obejmuje procesy prowadzące do różnicowania się rozwoju organizmów w kierunku żeńskimi męskim. Rodzaj płci, jaką dany osobnik wykształci, jest zależny od sygnału wywoławczego, który może pochodzić ze środowiska lub być uwarunkowany odpowiednimi genami leżącymi w chromosomach płci.

Stąd determinacja płci może być:
- fenotypowa - uwarunkowana wpływem zewnętrznych czynników środowiska, np. temperatury podczas inkubacji jaj krokodyli albo być wynikiem działania hormonów pochodzących z zewnątrz lub wytwarzanych na skutek uaktywnienia określonych genów zarodka;
- genetyczna - może być związana ze stosunkiem liczby autosomów do heterochromosomów, jak u muszki owocowej, albo być uwarunkowana obecnością określonego chromosomu lub określonych genów, np. u człowieka.

Sygnał wywoławczy uruchamia kaskadę genów regulatorowych, które wpływają na różne procesy rozwoju prowadzące do wykształcenia konkretnej płci. O płci potomstwa decyduje ta płeć rodzicielska, która wytwarza gamety o różnym składzie heterochromosomów. Zjawisko to określane jest mianem heterogametyczności.

Stąd też wyróżnia się 4 typy determinacji płci.

Heterogametyczność męska występuje, gdy:
- osobniki o kariotypie XY są samcami, a o kariotypie XX są samicami (np. u muszki owocowej oraz u ssaków, w tym też u człowieka);
- samce mają jeden chromosom płciowy - kariotyp XO, samice dwa jednakowe heterochromosomy - kariotyp XX (u pluskwiaków).

Heterogametyczność żeńska pojawia się, gdy:
- samice mają dwa różne heterochromosomy - kariotyp XY, samce dwa jednakowe heterochromosomy - kariotyp XX (u wielu motyli, części ryb, płazów, gadów i ptaków);
- samice posiadają kariotyp XO, samce - XX (u niektórych motyli).

Dzięki heterogametyczności jednej płci prawdopodobieństwa urodzenia się osobników żeńskich i męskich są takie same i wynoszą 50% dla każdej płci.

Geny znajdujące się w chromosomach X oraz Y zwane są genami sprzężonymi z płcią, ponieważ ich dziedziczenie jest sprzężone z dziedziczeniem płci. Sposób dziedziczenia genów sprzężonych z płcią zależy od płci organizmu rodzicielskiego wnoszącego gen występujący pojedynczo.

Ponieważ większość genów zawartych w chromosomie X nie ma swoich odpowiedników w chromosomie Y, stąd osobnik, który posiada w heterochromosomach geny tylko w jednej kopii, jest określany jako hemizygota (u człowieka hemizygotą pod względem genów zlokalizowanych w heterochromosomach jest mężczyzna).

W determinacji płci ssaków, a zatem i człowieka, decydującą rolę odgrywa chromosom Y. Płeć zostaje zdeterminowana w momencie zapłodnienia i zależy od tego, z którym plemnikiem połączy się komórka jajowa (zawierającym chromosom X, czy zawierającym chromosom Y).

Płeć żeńska człowieka jest homogametyczna, bo występują dwa jednakowe chromosomy płci - XX. Płeć męska jest heterogametyczna, gdyż występujące heterochromosomy są różne - XY.

We wczesnym okresie rozwoju zarodkowego człowieka zawiązki gonad u obu płci są jednakowe. Za rozwój gonad w kierunku męskim odpowiadają geny, z których istotną rolę odgrywa gen SRY zlokalizowany w chromosomie Y (tj. gonady męskie rozwiną się wtedy, gdy komórki zarodka zawierają chromosom Y). Efektem uruchomienia genu SRY jest rozwój komórek jąder. Wytwarzają one testosteron, którego obecność prowadzi do ostatecznego wykształcenia gonad męskich. Zatem u człowieka (oraz innych kręgowców) rozwój płci somatycznej związany jest także z działaniem hormonów płciowych.

Z kolei u organizmów żeńskich człowieka (i innych ssaków) prawidłowy rozwój organizmu wymaga kompensacji dawki genów, gdyż aktywność dwóch heterochromosomów - XX potrzebna jest tylko podczas wykształcania jajników. Dlatego też po ukształtowaniu się gonad żeńskich następuje losowa inaktywacja jednego z chromosomów X i jego przekształcenie w tzw. ciałko Barra. Stąd w części komórek somatycznych kobiety aktywny jest chromosom X pochodzący od matki, a w części chromosom X pochodzący od ojca (tzw. mozaikowatość). Jeśli jeden z chromosomów X zostanie uszkodzony, to zwykle ulega on zablokowaniu. Chroni to organizm kobiety przed skutkami mutacji w chromosomie X.

U normalnej samicy muszki owocowej stosunek autosomów do heterosomów wynosi: X X/2a = 1, a u normalnego samca: X X/2a = 0,5. Osobniki o kariotypie 3A + XX mają współczynnik równy 0,67 - są interseksami. Gdy stosunek autosomów do chromosomów jest niższy od wartości 0,67 - różnicują się samce (bezpłodne), gdy stosunek jest wyższym samice (bezpłodne).
Gynandromorfy to organizmy mające niektóre części ciała o genotypach właściwych dla samicy, a inne dla samca. Występują np. u owadów, u których w rozwoju osobniczym pojawiły się zaburzenia i asymetria w budowie została utrzymana.
Na wykształcenie płci u kręgowców mają wpływ hormony. U ptaków brak testosteronu po usunięciu jąder powoduje rewersję płci, podobnie jest u samic po usunięciu jajników. Brak estrogenów powoduje, iż może nastąpić uaktywnienie szczątkowego jądra, jakie posiadają samice.

---